一、SRTM 的背景引言
美国利用航天飞机搭载成像雷达对地进行观测始于20 世纪80 年代初。1982 年11 月和1985 年10 月, 美国分别进行了两次称为S IR2A 与S IR2B 的航天飞机成像雷达实验, 结果证明合成孔径雷达(SAR ) 具有其他传感器所无法比拟的优势, 主要是具有全天候、全天时对地表成像与测绘的能力并具有一定的穿透能力。 1994年4 月、10 月, 美国的宇航局(NASA )、喷气推进实验室(JPL ) 和国家图像测绘局(NIMA ) 与德国和意大利的航天局合作, 共同在航天飞机上进行了两次称为S IR2CöX SAR 的雷达地形测绘实验。SIR2CöX SAR 的硬件设备与前两次相比, 由单极化(HH或VV )、单波段(L波段) 及固定入射角提高为多极化、多波段(C、L和X波段) 及多入射角。此次实验的结果表明, 星载SAR具有利用重复轨道实现SAR 干涉测量以高精度地提取全球地形高程数据及监测地壳形变的巨大潜力。但由于航天飞机飞行时间有限(一般为10 天左右) , 因此只能获取有限地区的重复轨道雷达数据, 且存在部分重复轨道雷达数据难以实现干涉测量的问题。为此, 美国的有关专家提出了对现有的S IR2CöX SAR 设备进行技术改造, 并在航天飞机上增加一条可伸缩的天线杆, 以实现固定基线单轨获取全球雷达干涉测量数据并提取全球高精度 DEM 的建议。最终, 经NASA 与DMA (国防测绘局, 即现在的NIMA ) 协商, 达成了实施SRTM 计划的协议。
二、SRTM 的基本情况
SRTM(航天飞机雷达地形测绘任务)是由美国航空航天局，地理空间情报局以及德国和意大利的航天机构于2000年2月开始的。SRTM的全称是Shuttle Radar Topography Mission，即航天飞机雷达地形测绘使命，2000年2月11日上午11时44分，美国“奋进”号航天飞机在佛罗里达州卡那维拉尔角的航天发射中心发射升空，“奋进”号上搭载的SRTM系统共计进行了222小时23分钟的数据采集工作，获取北纬60度至南纬56度之间，面积超过1.19亿平方公里的 9.8万亿字节的雷达影像数据，覆盖全球陆地表面的80%以上，该计划共耗资3.64亿美元，该测量数据覆盖中国全境。
全部原始数据的处理约需两年的时间, 最终将获取平面精度±20 m , 高程精度±16m 的全球数字高程模型(DEM )。此外, 利用重复轨道的SRTM 雷达数据, 可实现差分干涉测量, 用于地壳形变及冰川变化的监测, 精度可达到厘米级。此次航天飞机执行SRTM 任务具有2 个独创之处: ① 通过长达60 m 的可伸缩天线杆, 实现了单轨道雷达干涉测量; ②同时实现了双频(X, C 波段) 及多极化(HH,VV , HV 和VH) 雷达地形数据的获取。
这项计划旨在通过航天飞机的天线以及从航天飞机货舱伸出去的另一副雷达天线接收从地球表面各城市、田野、山脉、森林以及其他地形反射传回的雷达信号。两个雷达收到信号能够被合成为像三维立体电影或照片一样清晰逼真的地形图。美国航空航天局的科学家表示，这样的地球三维地形图将帮助人们改进地球上基础设施和通讯设备。尽管如此，但事实上，借助如此精准的地图，美国国防部将能更好地选择部署部队，甚至是发射导弹的地点。因此这项计划所得的最佳品质图像将被列为机密文件，供美国军方和情报机构使用。只有一些分辨率较低的地图向公众公开，用于普通科研和商业。
SRTM数据每经纬度方格提供一个文件，精度有1 arc-second和3 arc-seconds两种，称作SRTM1和SRTM3,或者称作30M和90M数据，SRTM1的文件里面包含3601*3601个采样点的高度数据，SRTM3的文件里面包含1201*1201个采样点的高度数据。目前能够免费获取中国境内的RTM3文件，是90米的数据，每个90米的数据点是由 9个30米的数据点算术平均得来的。
其主要技术参数有: ① 轨道高度: 233 km; ② 有效载荷重量: 13. 6 t; ③ 扫描带宽: C 波段225 km , X 波段 50 km; ④ 雷达波长: C 波段5. 6 cm , X 波段3 cm; ⑤ 极化方式: HH,VV , HV 和VH; ⑥ 天线杆长度: 60 m (基线量测精度为3 mm ) ; ⑦ 任务期限及轨道数量: 11 天, 176 条(实际获取数据的轨道数为156 条) ; ⑧ 数据记录率: C 波段 180M bitsös, X 波段90M bitsös; ⑨ 空间分辨率: 30 m × 30 m; bk 精度: 水平和高程精度分别为20 m 和10 m (C 波段) ; 水平和高程精度分别为20 m 和4 m (X 波段) ; bl 覆盖范围: 北纬60°以南与南纬56°以北之间, 约占全球80% 的陆地表面。
SRTM数据下载的地址是：ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/ 。我国境内的数据在Eurasia目录下，每经纬度方格一个文件，文件命名方法是X1X2X3X4.hgt.zip，X1是N或S表示南北，X2是下方纬度数，X3是E或W表示东西，X4是左方经度数。
三、SRTM 数据的处理方式
SRTM 获取的C 波段数据由美国处理, 而X 波段数据则由德国处理。下面介绍C 波段数据的处理步骤。
1、 拷贝SRTM 的数据磁带
第一项活动是拷贝飞行期间获得的数据磁带, 共有208 盒C 波段雷达数据磁带。拷贝工作由隶属于NA SA 的JPL 一个工程小组在肯尼迪航天中心(KSC) 进行, 由于复制数据的速度为采集数据的1ö6, 因此, 估计复制全部数据将花费2 个月的时间。JPL 计划制作2 份拷贝, 并将拷贝数据转送到 JPL 进行处理。
2、 处理SRTM 数据
SRTM 数据的处理由地面数据处理系统(GDPS) 来完成。GDPS 由3 部分组成: ① 干涉测量处理器, 利用干涉测量原理将原始雷达数据转换为高程图和雷达图像条带; ② 镶嵌处理器, 用于将采集的全球多条航带数据编绘成大陆高程和图像的镶嵌图; ③ 验证系统, 负责检测镶嵌图的质量, 并提供精度图。这些处理器目前装载在JPL 的工作站上, 下一步工作是将它们安装到一组超级计算机上, 以便对整个 SRTM 数据集进行系统处理。随着这项工作的进行, JPL 将向公众发布辅助产品, 在航天飞机飞行期间曾向公众发布了部分产品。一旦得到重新格式化的飞行文件, JPL 还将发布 DEM 和正射纠正雷达图像样品, 并检校其工作站的性能。 SRTM 数据将依据逐大陆的原则进行处理, 而最先处理那一地区的数据则由N IMA 来决定。处理完成后, 数据将移交给N IMA 进行数据的最后质量检核。最后, 拷贝将移交给 U SGS 的ERO S 数据中心存档并向公众开放。N IMA 负责为美国国防部提交重新格式化的DTED 格式数据。
3、 SRTM 数据的检核
SRTM 数据的检核主要通过如下几种方式进行, 即: ① 大地测量, 主要是利用动态差分GPS, 测量了70 000 km 长的线, 用以构造长波误差源模型; ② 布设具有高反射能力及精确坐标的角反射器, 以便在雷达图像上清晰成像; ③ 利用海面区的雷达数据。
4、 SRTM 高程数据产品的精度
SRTM 高程数据产品的精度见下表。
C波段 | X 波段 |
绝对水平精度+20m | +20m |
相对水平精度+15m | +15m |
绝对高程精度+16m | +16m |
相对高程精度+10m | +10m |
空间分辨率30m×30m | 30m×30m |
影响精度的主要因素包括: 天线杆和姿态的量测精度、记时误差、多路径效应、相位量测误差及雷达的热噪声。其中姿态的量测误差是主要的误差源, 如舱外天线在横滚方向 ±3 mm 的误差就会导致±9 m 的高程误差。
5、 SRTM 数据的分发
SRTM 数据的分发将以NA SA 与N IMA 达成的协议为依据, 即美国本土以外的全分辨率数据由N IMA 控制, NA SA 只能向公众提供3 弧秒(90 m ) 的数据。SRTM 的C 波段数据将通过U SGS 的ERO S 数据中心来分发,X 波段数据将由德国航天中心来分发。分发方式主要是通过互联网及 CD2ROM 和DVD 媒体。
6、 SRTM 的主要产品
SRTM 的数字产品主要包括如下几种:
1. L EV EL 22 地形高程数据集。绝对水平和高程精度分别为±20 m 和±16 m; 范围为5°×5°; 高程数据间隔为1 弧秒, 约30 m。
2. 带状正射纠正图像数据集。采样间距为15m ×15m; 单个文件的覆盖区域为60 km ×450～ 60 km ×4 500 km。最后移交给N IMA 进行镶嵌。
3. 随机高误差数据集。
4. 系统高程误差模型。
5. 最终检核报告及全球高程误差模型。
6. 数字高程图像产品: 有以颜色表示高程的雷达图像; 带彩色干涉条纹的雷达图像; 晕渲地貌; 互补色立体像对; 叠置有雷达图像并以颜色表示高程的透视图; 晕渲地貌透视图; 叠置有陆地卫星或其他图像的透视图; 等高线图; 立体像对。
四、SRTM 数据的应用领域
SRTM数据具有可计算及可视化功能，在各个领域的应用前景十分广阔，尤其在测绘、地壳形变及军事等领域具有十分重要的应用, 具体而言, 主要包括如下几个方面:
在科学研究上 ：SRTM数据在地质学、地球物理学、地震研究、水平建模、火山监控以及遥感图像的配准等到方面都有十分重要的作用。利用高精度数字地形高程数据建立地面的三维立体模型，与地面的影像镶嵌叠加，可以观测到地球表面的细微变化。
在民用及工业应用上，SRTM数据可用于土木工程量的计算、水库坝址的选定、土地利用规划等；在通讯方面，数字地形数据可以帮助商家建造更好的转播塔，研判移动电话亭的最佳地理位置；在航空安全方面，利用SRTM数字高程数据可以建立增强型飞机着陆报警系统，大大提高了飞机着陆的安全系数。
在军事上，首先，SRTM数据是C4ISR（军队指挥自动化系统，包括指挥、控制、通信、计算机、情报、监视与侦察）的基础信息平台，在研究战场地域结构、作战方向、战场预设、作战部署、兵力集结与投送、防护条件、后勤保障等方面是必不可少的。利用可视化技术，右直接在屏幕上显示战场的通视、通行情况，也可自动选择空（机）降地域，从而为作战指挥人员提供辅助决策。其次，在导航和武器系统的开发中SRTM数据将是最常用的基础保障，任何精密导航系统都存在着一个潜在的问题，那就是它所使用的地图的精度。第三，越来越多的武器将使用高精度数字地图和影像数据进行精确打击。包括联合防区外武器（JSOW）、联合空对地远程导弹（JASSM）以及“战斧”式巡航导弹药等先进制导武器，都装有高精度数字高程数据和目标影像。数字高程数据用于导弹飞行中的地形匹配制导；数字影像则用于导弹的末制导，在导弹到达目标区后，存储在导弹里的目标影像与实地目标影像对照，进行直接攻击。
五、SRTM 的意义
美国此次利用航天飞机干涉雷达系统，仅用不到10天的时间景成功地获取了全球80%陆地区域的高分辨率地形数据，而利用常规技术要得到相当的数据，则需数十年的时间。就测绘本身来讲，此次航天测绘在技术上取得了跨越式的理步，并将从根本上改变传统的测绘手段。同时由于SRTM数据在各个领域具有广泛而重要的应用价值，因此，该计划的顺利实施同仅在测绘科技史上具有重要的影响，而且对整个国际社会21世际的地理空间信息发展战略将产生深远的影响。
首先，SRTM计划的顺利完成，确保了美国的信息优势地位，拉大了其他国家与美国在地理空间信息的差距，为加速美国数字地球和数字化战场的建设，实现“单向透明”，保障美军在全球任何地方打赢高技术战争，做好了军事测绘保障方面的准备工作。
其次，SRTM项目的顺利完成将给美国带来巨大的战略和商业利益。一方面，美国通过此次航天测绘达到了控制全球地理信息与资源的目的，从而在技术上收到了恐吓和威慑的效果。另一方面，尽管目前SRTM数据还不对外公开，不过，美国军方已宣称央一些地区，30米分辨率数据经过审查可以提供给民用目的研究人员。另外，90米分辨率数据可以出售，因为它比目前所使用的地图的精度还要好。目前世界多数国家都希望得到相关的SRTM数据，以便用于科学研究或其他目的，这对美国来说是一笔巨大的财富。
最后，世界各国的地理空间信处息安全受到考验。美国SRTM计划的完成，事实上已经在全球范围内打响了信息战，实施航天测绘实质上是信息侵略，是在高空1000千米以上“合法”的国际空间进行的“合法”作业。应当认识到，美国已经够用这种“合法”的手段，得到它过去用非法入侵手段得不到的东西，这对世界各国的地理空间信息安全提出了严峻的考验，如何应对这种“合法”的信息侵略是一个值得关注的问题。
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